3.3 岩体结构
近年来，在岩体强度及其稳定性的研究中，证实了岩体中的断层、层理、节理和片理是边坡稳定性的控制因素。所以，结构面被认为是特别重要的影响因素，结构面强度比岩石本身强度低很多，根据岩块强度计算稳定的岩体边坡可以高达数百米，然而岩体内含有不利方位的结构面时，高度不大的边坡也可能发生破坏。其根本原因就在于岩体中有结构面存在，降低了岩体的整体强度，增大了岩体的变形性和流变性，形成了岩体的不均匀性和非连续性。大量边坡的失事证明：一个或多个结构面组合边界的剪切滑移、张拉破坏和错动变形是造成边坡岩体失稳的主要原因。
从边坡稳定性考虑，要特别研究岩体结构面的下列主要特征，即结构面的成因类型、结构面的组数和数量、结构面连续性及其间距、结构面的起伏度及粗糙度、结构面表面结合状态及充填物、结构面产状及其与边坡临空面的关系等。这些特征及其组合将对边坡稳定状态、可能的滑落类型、岩体强度等起着重要的影响。
3.3.1 结构面的成因类型
结构面按其成因可分为原生结构面、构造结构面和次生结构面3类。
·原生结构面 为成岩阶段形成的结构面，按其成岩作用可分为沉积结构面、火成结构面和变质结构面。
·构造结构面 是在地质构造运动中受构造应力作用所产生的破裂面和裂隙带，包括劈理、节理、断层及层间错动等，按力学性质又分为压缩、张拉、扭性、压扭性和张扭性等结构面。
·次生结构面 是在原生结构面的基础上，因风化、地下水和卸荷作用，使原有的结构面规模加大以及性质改变的结果。
不同成因的结构面对边坡稳定性的影响程度也不同，一般来说，构造结构面是影响最大的，其次是次生结构面。
3.3.2 结构面的组数和数量
边坡受一组结构面和多组结构面的切割，其对边坡稳定性的影响程度是不同的。当边坡岩体受多组相互交切的结构面切割时，不仅使整个边坡岩体自由变形的可能性会更大，而且使切割面、滑动面、甚至临空面产生的机会更多，因而组成可能滑动的块体的条件会更多，同时也给地下水活动提供了有利的条件，对边坡稳定性显然是不利的。另外，结构面数量的多少，将直接影响到被切割岩块的形状和大小，它不仅影响到边坡的稳定性，同时也影响到边坡变形破坏的形式。严重破碎的岩体边坡，可能出现类似于土质边坡那样的圆弧形滑动破坏。
3.3.3 结构面的连续性和间距
结构面的规模不同，其延展范围的连续性也不同。大的结构面延展范围大，连续性也好，对边坡稳定性不利。如果结构面之间不能全部贯通，岩体强度有一部分被完整岩石所控制，有利于边坡稳定。因此，在研究节理岩体时要注意它的连续性。在边坡岩体调查中，对结构面的连续性要做定性描述，即观察结构面沿走向和倾向方向上延展长度，并予以记录。
结构面的间距是指在结构面法线方向上两相邻结构面间的距离。有时也用密度表示其发育程度而称为裂隙度。其定义是指在法线方向单位长度上结构面的数目。结构面间距和密度表明岩体结构面的发育程度和被结构面切割岩块的大小。结构面间距小或密度大的边坡岩体易于破坏。因此，在解决工程实际问题时，认真研究结构面的连续性和间距具有十分重要的现实意义。
3.3.4 结构面的起伏度和粗糙度
结构面一般是粗糙不平的，这种特性对结构面的抗剪强度有重要影响，特别是当结构面之间相互镶嵌而没有明显位移的情况下更为明显。结构表面按其起伏不平的程度可用起伏度和粗糙度来表征，规模较大的起伏不平称为起伏度，规模较小的起伏不平称为粗糙度。它们对结构面抗剪强度的影响，一般认为是粗糙度所表征的起伏不平，在岩体滑动的剪切过程中会被剪切掉，从而增大结构面的抗剪强度。而起伏度所表征的起伏不平，在岩体沿结构面滑动的剪切过程中，可能出现2种情况：如果上覆压力（正压力）不大，剪切时只沿表面凸起部分跨越，而凸起部分不会被剪掉，使剪切滑移过程发生剪胀现象。这时结构面的抗剪强度如图3.1中OA线，其表达式为τ＝σtan（φj＋i）。这是由于在剪切过程中结构面岩体上受到正压力和剪应力。于是，在结构面单位面积cd的齿面（粗糙面）上有正应力σi和剪应力τi。从图3.2可知：
σi＝σcosi＋τsini τi＝τcosi－σsini
当处于极限平衡时可得：
τi＝σitanφj 即 τcosi－σsini＝（σcosi＋τsini）tanφj
整理后得：
式中 φj——结构面内摩擦角；
i——粗糙角（或称爬坡角）。
当上覆压力很高（即正应力很大）时，在滑动过程中不允许剪胀产生，这时，只有当结构面凸起岩石被剪断，才能沿结构面滑动。由于在剪切过程中增加了结构面凸起岩石的抗力，这种抗力以结构面剪切表面所呈现的内聚力C′表示，因而结构面抗剪能力大为提高，其强度曲线如图3.1中的AB段所示。这时结构面的抗剪强度为：
图3.1 粗糙结构面抗剪强度理想曲线
以上所讨论的仅限于其有同样形状的规则凸起部分的理想模型，而真实的岩体结构面都是由许多不规则的凸起组成，这时结构面的平均粗糙角ic可以用下式求之：
式中 i1，i2，…，in分别表示n个不同的粗糙角。
由此可见，必须注意研究结构面的起伏状况，以便正确确定结构面的抗剪强度。
图3.2 规则齿状楔效应摩擦
3.3.5 结构面的结合状态及充填物
结构面的结合状态，充填物的特性及其厚度对结构面的抗剪强度有重要影响，一般有以下几种情况。
①结构面是闭合的、干净无充填物，相邻结构面直接接触，结构面的抗剪强度取决于结构面壁的岩性、硬度、表面的粗糙度和起伏度等因素。
②结构面是闭合的，但有泥质或矿物质薄膜等，结构面的抗剪强度不仅取决于面的形态（光滑、粗糙）和面壁岩性，而且也取决于这些薄膜的矿物类型及其亲水性。
③结构面是张开的，或被大量不连续岩粉、岩屑所充填或者充水充气等，结构面的抗剪强度显著降低或完全丧失。
④结构面间被连续的充填物所充填，两相邻的结构面不直接接触，结构面的抗剪强度取决于结构面表面起伏度和充填物的厚度，以及充填物的成分（硅质、钙质、泥质）与其物理力学性质。当结构面上充填物的厚度大于起伏差的高度时，就以充填物的抗剪强度作为计算依据，不应将结构面起伏度的影响考虑在内。
3.3.6 结构面的产状及其与边坡临空面的关系
结构面的产状对边坡岩体是否沿某一结构面滑动起着控制作用。结构面的产状表示结构面在空间的分布与延展的方向，是用走向、倾向和倾角表示的。现就结构面的产状与边坡走向的关系对边坡稳定性的影响进行分析。
图3.3 结构面走向与坡面走向近于垂直
①当结构面的走向与边坡面的走向近于垂直，结构面对边坡稳定性影响较小，它一般只能作为平面滑动的分离面（剥裂面）或边界面，如图3.3所示。
②当结构面的走向与边坡面走向近于平行时，则对边坡稳定性的影响取决于结构面的倾角和倾向。
·同倾向（结构面倾向和边坡坡面倾向相同）边坡，当结构面倾角α小于坡面角β而大于结构面的内摩擦角φ时，则属不稳定边坡，可能发生平面滑动，如图3.4（a）所示。
·同倾向边坡，当结构面倾向α小于坡面角β，也小于结构面的内摩擦角时，由于滑动面上的抗滑力大于下滑力，故不会滑动，如图3.4（b）所示。
图3.4 结构面与坡面产状的相互关系
·结构面倾向与边坡面倾向相同，且两者倾角相等即α＝β，属稳定边坡，如图3.4（c）所示。
·结构面倾向与边坡面倾向相同，结构面的倾角α大于边坡面倾角β时，也属稳定边坡，如图3.4（d）所示。
③当结构面呈水平状态时，这时边坡属稳定边坡，如图3.5所示。
④当结构面的倾向与边坡坡面倾向方向相反时，边坡也属稳定边坡，如图3.6所示。
图3.5 结构面呈水平状态
图3.6 结构面倾向与坡面倾向相反
从以上分析可以认为：同向缓倾边坡的稳定性较反向坡为差；同向缓倾坡中岩层倾角越小，稳定性越差；水平岩层稳定性较好。
图3.7 楔体组合交线与边坡面倾向相同
以上是只有一组结构面的情况。当有两组结构面与坡面斜交的情况下，边坡岩体被切割成楔形体，其稳定程度视结构面组合交线与坡面的相互关系而定。
①当两结构面形成的楔形体组合交线AB与坡面倾向相同，其组合交线的倾角α小于坡面角β但大于结构面内摩擦角φ时，则楔形体可能滑动，如图3.7所示。
②当两结构面形成的楔形体的组合交线AB的倾角α等于或大于坡面角β以及组合交线延伸到坡角岩体内部时，边坡均属稳定的，如图3.8所示。
当边坡岩体中有3组以上结构面相交时，其对边坡稳定性的影响将在第4章岩体结构分析中介绍。
必须说明：上述原则只适用于高度小的边坡稳定性的概略评价，作为工程设计的依据，尚需根据岩体力学强度做进一步分析计算。
图3.8 边坡中楔体组合交线AB与坡面的关系
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